Inmolación bacteriana con conciencia ecológica

Saeidi N, Wong CK, Lo TM, Nguyen HX, Ling H, Leong SS, Poh CL, & Chang MW (2011). Engineering microbes to sense and eradicate Pseudomonas aeruginosa, a human pathogen. Molecular systems biology, 7 PMID: 21847113

Uno de los más grandes retos de la medicina y biotecnología de éste siglo es desarrollar alternativas al uso de antibióticos para combatir infecciones bacterianas. Si bien la aplicación de antibióticos durante el siglo pasado cambió por completo tanto la esperanza de vida de las poblaciones con atención médica como el estilo de vida mismo de las poblaciones humanas, muchas cepas bacterianas han desarrollado resistencia contra algunos antibióticos, y algunas pocas como Staphylococcus aureus (MSRA) o Pseudomonas aeruginosa han desarrollado resistencia a múltiples antibióticos. Esto se convierte en un problema de salud pública severo cuando los dos organismos mencionados resultan ser las causas más frecuentes de infecciones en hospitales. Es decir, en aquellos lugares donde abrimos a la gente, existen dos bacterias patógenas que no podemos combatir. Es por esto que en la actualidad de destinan muchos recursos (en tiempo, dinero y cerebro) a la búsqueda de alternativas en la guerra contra las bacterias infecciosas.

El grupo encabezado por Chueh Loo Poh, de la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur, se puso a pensar en cómo hacer para combatir a la antes mencionada Pseudomonas aeruginosa, una gammaproteobacteria que es un parásito oportunista (o sea que se aprovecha para infectar cuando nuestras defensas están bajas, por ejemplo tras una cirugía). Generalmente se encuentra en los tractos respiratorios y gástricos, y todavía es una de las principales causas de muerte en hospitales de pacientes con inmunodeficiencias como cáncer, fibrosis cística y VIH.

En el artículo de Nazanin Saeidi publicado en Molecular Systems Biology, el grupo de Poh aplica principios de ingeniería a la biología sintética, encargada de desarrollar organismos que lleven a cabo funciones que no existen en la naturaleza. En este caso, utilizan al organismo mejor estudiado, la enterobacteria Escherichia coli, y la modifican genéticamente para atacar a P. aeruginosa aprovechando tres características naturales de estas dos bacterias:

La primera, es la habilidad de P. aeruginosa para medir su propia densidad poblacional. Es decir, para censar su propia población (como el INEGI). Las bacterias solitarias se van a comportar de una manera muy distinta a cuando están en  bola. Por ejemplo, solitas van a moverse mucho en búsqueda de alimento y se van a reproducir rápidamente. Cuando encuentran alimento y su población aumenta, no necesitan flagelos para su motilidad y deciden reproducirse más lentamente ("pocos hijos para darles mucho") y crecen en bola, secretando entre todas un moco que les proteje. Pero para hacer éstos cambios tienen que saber cuántas son. Su manera de conocer el tamaño de su población es la siguiente: cada célula secreta una proteína como señal química en concentraciones muy pequeñas, y a su vez tiene en la membrana miles de receptores de ésta misma señal. Si está sóla, va a recibir la señal de pocas proteínas. Cuando son muchas, la concentración de la señal química aumenta y los receptores en las membranas de las células detectan muchas proteínas. Cuando la cantidad de proteínas detectadas supera cierto límite, se induce un cambio fisiológico en la célula. Éste proceso se conoce como "quorum sensing", algo así como "censando el quórum". La palabra quorum viene del latín "de quién", y se utiliza en derecho para referirse a la cantidad mínima de personas necesarias para aprobar un decreto.

La segunda son las armas de guerra propias de P. aeruginosa. Éste inocente angelito produce bacteriocinas, unos péptidos antimicrobianos que matan a otras bacterias que compiten por los mismos recursos que P. aeruginosa. Las bacteriocinas atacan sólo a los parientes cercanos de P. aeruginosa porque son éstos los que compiten más fuertemente por sus mismos recursos, y a la fecha no se ha detectado que las bacterias se hagan resistentes a ellas. El grupo de Poh determinó anteriormente que la Pyocina S5 es una bacteriocina efectiva contra aislados clínicos de P. aeruginosa pero no contra E. coli.

La tercera es la habilidad suicida de Escherichia coli para reventar su propia membrana celular bajo condiciones de estrés ambiental, mediante una proteína pequeña llamada proteína de lisis E7 que desestabiliza la cara interna de la membrana celular. Ésto permite que las proteínas sintetizadas en el interior de la célula sean eficientemente exportadas al exterior.

En resumen, el equipo construyó un plásmido que contiene 1) el gen del receptor lasR de la señal química del "quorum sensing" de P. aeruginosa, 2) el gen de la Pyocina S5 y 3) el gen de la proteína de lisis E7. En éste plásmido, los genes de la Pyocina S5 y de la proteína de lisis E7 tienen un activador por quorum sensing llamado luxR. Es decir que tanto la bacteriocina como la proteína de lisis se van a producir sólo cuando se detecte una cierta cantidad de la señal química propia de P. aeruginosa (3OC12HSL). Y éste plásmido fue introducido en E. coli.

Diagrama del sistema. (c) Nature Publishing Group 2011                                http://www.nature.com/msb/journal/v7/n1/full/msb201155.html

Entonces el sistema funciona así: la Escherichia coli construída vive feliz de la vida como toda E. coli normal y corriente, hasta que se encuentra con P. aeruginosa. Si se encuentra con una no pasa nada, no hay que exagerar. Pero si la población de P. aeruginosa crece, la concentración de la seña química crece también. Normalmente, los receptores naturales luxR propios de P. aeruginosa detectarían esta concentración e inducirían cambios en su comportamiento, pero no cuentan con que la E. coli singapurense tiene el mismo luxR y por lo tanto detecta también la nueva concentración. Es decir, E. coli espía el crecimiento poblacional de P. aeruginosa con los propios ojos de P. aeruginosa.  Pero en E. coli, lo que se va a inducir es primero la producción de la Pyocina S5, mortal para P. aeruginosa pero inocua para E. coli. El problema es que la Pyocina S5 es una proteína de Pseudomonas, y E. coli no cuenta con el complejo sistema de secreción, de manera que la Pyocina S5 será producida y almacenada en las células de E. coli sin afectar a P. aeruginosa. Hasta que la concentración de la señal química de P. aeruginosa es tal que se activa la producción de la proteína de lisis E7 también por el sistema de quorum sensing de luxR que se encuentra en el plásmido de la E. coli construída. De esta manera, cuando la población de P. aeruginosa supera cierto tamaño (y por lo tanto su señal química supera cierta concentración), las células de la E. coli van a explotar liberando la Pyocina S5 en altas concetraciones y aniquilando la población de P. aeruginosa.  El sistema es eficaz in vitro, inhibiendo el crecimiento de P. aeruginosa de vida libre en un 99% y en un 90% cuando crece en biofilm.

¿Porqué tanto escándalo? Por muchas cosas. Primero, porque es una bonita forma de atacar un problema antiguo. Segundo, porque utiliza un sistema muy simple y elegante (simple IS beauty). Tercero porque utiliza las mismas armas de P. aeruginosa en su contra. Cuarto porque es una aplicación real y práctica de la biología sintética (llamada biotecnología hace diez años). Y quinto porque es una manera inteligente de reconocer un problema real, médico, humano, y proponer un resultado producto del conocimiento de la historia natural del organismo.

Finalmente,  cuando se diagnostica una infección por P. aeruginosa en un hospital, se combate generalmente con un coctél de múltiples antibióticos (para no errarle pues). Ésta aproximación tiene dos efectos indeseados: uno, que en teoría se puede promover la selección de cepas que sean resistentes a TODOS los antibióticos conocidos, favoreciendo la aparición de una Pseudomonas malisísima que no podamos combatir. El otro es que en nuestro cuerpo tenemos muchas bacterias diferentes que viven sobre nosotros y nos ayudan y protegen de un sinfín de amenazas. Por ejemplo la microbiota intestinal que nos ayuda a digerir alimentos que nosotros no podemos aprovechar por nosotros mismos. Y cuando uno utiliza un coctél de antibióticos, los que terminan pagando los platos rotos son las bacterias de la microbiota, con efectos contraproducentes para la salud del paciente. El sistema propuesto es muy específico contra las Pseudomonas indeseadas simplemente porque viene de esas mismas Pseudomonas indeseadas, y promete tener un bajo impacto negativo en otras bacterias. Es decir, que es una alternativa médica con conciencia ecológica.